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JP7147705B2 - エネルギ変換システム - Google Patents
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Description

本発明は、エネルギ変換システムに関する。
近年、動力源の電動化が注目を集めており、その一つの解決手段として、余剰電力を炭化水素などの燃料に変換して貯蔵するシステムの実用化が要望されている。特許文献１では、水蒸気および炭酸ガスを電解して水素および一酸化炭素からなる合成ガスを製造し、この合成ガスを用いて炭化水素を合成する燃料合成システムが提案されている。
特開２０１４－１５２２１９号公報
しかしながら、上記特許文献１のような電力を燃料に変換するシステムは、実用化に見合う高効率化には至っていない。
本発明は上記点に鑑み、Ｈ2ＯおよびＣＯ2を電解してＨ2およびＣＯを生成し、Ｈ2およびＣＯから炭化水素を合成するエネルギ変換システムにおいて、燃料合成効率を向上させることを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、燃料合成装置（１０）と、電力供給装置（１４）と、Ｈ2Ｏ供給部（２０、２２）と、ＣＯ2供給部（２３、２５）とを備える。燃料合成装置は、酸素イオン伝導性を有する電解質（１１）と、電解質の一方側に設けられたカソード極（１２）と、電解質の他方側に設けられたアノード極（１３）とを有する。電力供給装置は、燃料合成装置に電力を供給する。Ｈ2Ｏ供給部は、カソード極にＨ2Ｏを供給する。ＣＯ2供給部は、カソード極にＣＯ2を供給する。
カソード極では、Ｈ2Ｏ供給部から供給されたＨ2ＯおよびＣＯ2供給部から供給されたＣＯ2が所定のガス流れ方向に流れるようになっている。カソード極では、Ｈ2Ｏを電解してＨ2を生成するＨ2Ｏ電解反応と、ＣＯ2を電解してＣＯを生成するＣＯ2電解反応と、Ｈ2とＣＯとを用いて炭化水素を合成する燃料合成反応とが発生する。カソード極には、Ｈ2Ｏ電解反応を促進するＨ2Ｏ電解触媒と、ＣＯ2電解反応を促進するＣＯ2電解触媒と、燃料合成反応を促進する燃料合成触媒とを含む複数種類の触媒が設けられている。
カソード極のガス流れ方向の上流部（１２ａ）、中流部（１２ｂ）および下流部（１２ｃ、１２ｄ）の部位毎に、複数種類の触媒に含まれるＣＯ2電解触媒、Ｈ2Ｏ電解触媒および燃料合成触媒の割合がそれぞれ異なっている。上流部では、ＣＯ2電解反応で生成するＣＯ、Ｈ2Ｏ電解反応で生成するＨ2および燃料合成反応で生成する炭化水素からなる反応生成物のうち、ＣＯのモル数が最も大きくなっている。中流部では、反応生成物のうち、Ｈ2のモル数が最も大きくなっている。下流部では、反応生成物のうち、炭化水素のモル数が最も大きくなっている。
これにより、Ｈ2Ｏ電解反応によるＨ2生成前に、ＣＯ2電解反応によってできるだけ多くのＣＯ2がＣＯに電解されるようにすることができる。ＣＯ2濃度が低下しＣＯ濃度が上昇した状態でＨ2Ｏ電解反応が起こることで、ＣＯ2とＨ2が反応する逆水性ガスシフト反応の発生を抑制できる。この結果、逆水性ガスシフト反応によるＨ2消費を抑制でき、Ｈ2生成に用いられる電力消費を抑制でき、燃料合成効率を向上させることができる。
また、下流部では燃料合成反応を優先することで、上流部で生成したＣＯと、中流部で生成したＨ2を用いて燃料合成を効率的に行うことができる。
なお、上記各構成要素の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
第１実施形態のエネルギ変換システムの全体構成を示す図である。 第１実施形態の燃料合成装置の構成を示す図である。 第２実施形態の燃料合成装置の構成を示す図である。 第３実施形態の燃料合成装置の構成を示す図である。 第４実施形態の燃料合成装置の構成を示す図である。
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係るエネルギ変換システムについて図面を用いて説明する。
図１に示すように、エネルギ変換システムは、燃料合成装置１０を備えている。燃料合成装置１０は、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）である。本実施形態の燃料合成装置１０は、Ｈ2ＯおよびＣＯ2の電解によるＨ2およびＣＯの生成と、Ｈ2およびＣＯを用いた炭化水素の合成を行うことができる。炭化水素は燃料であり、例えば燃料電池の発電に用いることができる。
燃料合成装置１０は、電解質１１と、電解質１１の両側に設けられた一対の電極１２、１３を備えている。一対の電極１２、１３は、電解質１１の一方側に設けられたカソード極１２と、電解質１１の他方側に設けられたアノード極１３である。
電解質１１は、酸素イオン伝導性を有する固体材料であり、例えばジルコニア系酸化物であるＺｒＯ2を用いることができる。カソード極１２およびアノード極１３は、金属触媒とセラミクスを混合して焼成したサーメットとして構成されている。
アノード極１３には、Ｏ2-と電子を結合してＯ2を生成する反応を促進する金属触媒が設けられている。アノード極１３には、金属触媒として例えばＮｉ、Ｐｔが設けられている。
カソード極１２には、複数種類の金属触媒が設けられている。複数種類の金属触媒には、ＣＯ2電解反応を促進する金属触媒、Ｈ2Ｏ電解反応を促進する金属触媒および燃料合成反応を促進する金属触媒が含まれている。以下、ＣＯ2電解反応を促進する金属触媒をＣＯ2電解触媒ともいい、Ｈ2Ｏ電解反応を促進する金属触媒をＨ2Ｏ電解触媒ともいい、燃料合成反応を促進する金属触媒を燃料合成触媒ともいう。
ＣＯ2電解触媒としては、例えばＣｕを用いることができる。Ｈ2Ｏ電解触媒としては、例えばＮｉおよびルテニウムを用いることができる。燃料合成触媒としては、例えばコバルトおよびＦｅを用いることができる。カソード極１２では、ガス流れ方向に沿った領域毎に複数種類の金属触媒の構成比率を異ならせている。この点については後述する。
燃料合成装置１０には、外部電源である電力供給装置１４から電力供給される。本実施形態では、電力供給装置１４として自然エネルギを利用した発電装置を用いている。電力供給装置１４としては、例えば太陽光発電装置を用いることができる。
燃料合成装置１０では、電力供給された状態で、カソード極１２にＨ2ＯおよびＣＯ2が供給される。Ｈ2ＯおよびＣＯ2は、炭化水素を合成するための原料ガスである。本実施形態では、Ｈ2ＯおよびＣＯ2が供給されるカソード極１２の内部圧力を大気圧程度としている。
Ｈ2Ｏは、Ｈ2Ｏ貯蔵部２０からＨ2Ｏ供給通路２１を介してカソード極１２に供給される。本実施形態のＨ2Ｏ貯蔵部２０には、液体状態のＨ2Ｏが貯蔵されている。Ｈ2Ｏ供給通路２１には、Ｈ2Ｏを圧送するＨ2Ｏポンプ２２が設けられている。Ｈ2Ｏは、液体状態でカソード極１２に供給されてもよく、あるいは水蒸気としてカソード極１２に供給されてもよい。Ｈ2Ｏポンプ２２は、後述する制御装置２９からの制御信号に基づいて作動する。なお、Ｈ2Ｏ貯蔵部２０およびＨ2Ｏポンプ２２がＨ2Ｏ供給部に相当する。
ＣＯ2は、ＣＯ2貯蔵部２３からＣＯ2供給通路２４を介して燃料合成装置１０に供給される。本実施形態のＣＯ2貯蔵部２３には、液体状態のＣＯ2が貯蔵されている。ＣＯ2貯蔵部２３に貯蔵されたＣＯ2は、加圧されている。
ＣＯ2供給通路２４には、圧力調整弁２５が設けられている。圧力調整弁２５は、ＣＯ2貯蔵部２３に貯蔵されているＣＯ2を減圧する。圧力調整弁２５は、ＣＯ2を膨張させるための膨張弁である。圧力調整弁２５は、後述する制御装置２９からの制御信号に基づいて作動する。なお、ＣＯ2貯蔵部２４および圧力調整弁２５がＣＯ2供給部に相当する。
燃料合成装置１０のカソード極１２では、Ｈ2Ｏの電解によってＨ2が生成され、ＣＯ2の電解によってＣＯが生成される。カソード極１２では、電解で生成されたＨ2とＣＯから炭化水素が合成される。合成された炭化水素は、燃料合成排ガスに含まれてカソード極１２から排出される。燃料合成排ガスに含まれる炭化水素は、例えばメタンである。
燃料合成排ガスは、燃料合成排ガス通路２６を通過する。燃料合成排ガス通路２６には、燃料分離部２７が設けられている。燃料分離部２７は、燃料合成排ガスから炭化水素を分離する。燃料合成排ガスから炭化水素の分離は、例えば蒸留分離によって行うことができる。
燃料分離部２７で分離された炭化水素は、燃料として燃料貯蔵部２８に貯蔵される。本実施形態の燃料貯蔵部２８には、液体状態の炭化水素が貯蔵される。
エネルギ変換システムは、制御装置２９を備えている。制御装置２９は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されている。制御装置２９は、ＲＯＭ内に記憶された空調制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い、電力供給装置１４、Ｈ2Ｏポンプ２２および圧力調整弁２５といった各種制御対象機器の作動を制御する。制御装置２９の入力側には、図示しない各種センサ等が接続されている。
次に、燃料合成装置１０で起こる化学反応について説明する。燃料合成装置１０では、電力供給装置１４から電力供給された状態で、カソード極１２にＨ2ＯおよびＣＯ2が供給されることで、カソード極１２でＨ2Ｏ電解反応とＣＯ2電解反応が起こり、Ｈ2、ＣＯ、Ｏ2-が生成する。カソード極１２で生成したＯ2-は、電解質１１を伝導してアノード極１３に移動する。アノード極１３では、Ｏ2-と電子が結合してＯ2が生成される。
カソード極１２では、電解反応で生成したＨ2およびＣＯからＣＨ4が合成される燃料合成反応が起こる。カソード極１２で生成したＣＨ4は、燃料合成排ガスとして燃料合成排ガス通路２６を介して燃料合成装置１０から排出される。燃料合成排ガスに含まれるＣＨ4は、燃料分離部２７で分離され、炭化水素燃料として燃料貯蔵部２８で貯蔵される。ＣＨ4が分離された残りの燃料合成排ガスは、外部に排出される。
燃料合成装置１０のカソード極１２では、以下に示すＨ2Ｏ電解反応、ＣＯ2電解反応および燃料合成反応が起こる。
〔Ｈ2Ｏ電解反応〕
Ｈ2Ｏ＋２ｅ-→Ｈ2＋Ｏ2-
〔ＣＯ2電解反応１〕
ＣＯ2＋２ｅ-→ＣＯ＋Ｏ2-
〔ＣＯ2電解反応２〕
ＣＯ2＋Ｈ2→ＣＯ＋Ｈ2Ｏ
〔燃料合成反応〕
３Ｈ2＋ＣＯ→ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ
Ｈ2Ｏ電解反応では、Ｈ2Ｏを電解してＨ2が生成される。ＣＯ2電解反応ではＣＯ2を電解してＣＯが生成される。ＣＯ2電解反応には、ＣＯ2電解反応１とＣＯ2電解反応２が含まれている。
ＣＯ2電解反応２は逆水性ガスシフト反応であり、Ｈ2Ｏ電解反応で生成したＨ2が消費されてＨ2Ｏが生成される。２種類のＣＯ2電解反応のうち、ＣＯ2電解反応２の割合が増えると、Ｈ2Ｏ電解反応によるＨ2生成のために電力が多く必要となり、システム効率が低下する。このため、できるだけＣＯ2電解反応２が起こらないようにすることが望ましい。
燃料合成反応では、Ｈ2とＣＯを用いてＣＨ4が合成される。燃料合成反応では、ＣＨ4の合成に伴ってＨ2Ｏが副生される。燃料合成反応で生成したＨ2Ｏは、Ｈ2Ｏ電解反応で電解される。燃料合成反応で効率的にＣＨ4を合成するためには、副生するＨ2Ｏを速やかに除去することが望ましい。
次に、燃料合成装置１０のカソード極１２の構成について図２を用いて説明する。図２において、左側から右側に向かう方向がＨ2ＯおよびＣＯ2からなる原料ガスのガス流れ方向である。ガス流れ方向は、電解質１１とカソード極１２との境界面に沿っている。
図２に示すように、カソード極１２は、ガス流れ方向に沿って、上流側から順に上流部１２ａ、中流部１２ｂおよび下流部１２ｃ、１２ｄが設けられている。下流部１２ｃ、１２ｄは、第１下流部１２ｃと、第１下流部１２ｃより下流側に位置する第２下流部１２ｄからなる。上流部１２ａ、中流部１２ｂおよび下流部１２ｃ、１２ｄは、複数の金属触媒の構成比率が異なっており、ＣＯ2電解反応、Ｈ2Ｏ電解反応および燃料合成反応の発生割合が異なっている。
上流部１２ａ、中流部１２ｂおよび下流部１２ｃ、１２ｄは、ＣＯ2電解反応、Ｈ2Ｏ電解反応および燃料合成反応のうち、優先的に発生させる反応が異なっている。上流部１２ａではＣＯ2電解反応が優先される。中流部１２ｂではＨ2Ｏ電解反応が優先される。下流部１２ｃ、１２ｄでは燃料合成反応が優先される。
上流部１２ａでは、ＣＯ2電解反応で生成するＣＯ、Ｈ2Ｏ電解反応で生成するＨ2および燃料合成反応で生成する炭化水素からなる反応生成物のうち、ＣＯのモル数が最も大きくなっている。中流部１２ｂでは、ＣＯ、Ｈ2および炭化水素からなる反応生成物のうち、Ｈ2のモル数が最も大きくなっている。下流部１２ｃ、１２ｄでは、ＣＯ、Ｈ2および炭化水素からなる反応生成物のうち、炭化水素のモル数が最も大きくなっている。
図２では、各反応の優先度を「≫」および「＞」の不等号を用いて表している。本明細書において、不等号「≫」および「＞」は、各反応における反応生成物の生成比率で定義される。「≫」は、左辺に位置する反応の反応生成物のモル数が右辺に位置する反応の反応生成物の２倍以上であることを意味している。「＞」は、左辺に位置する反応の反応生成物のモル数が「＞」の右辺に位置する反応の反応生成物よりも多いことを意味している。
上流部１２ａでは、ＣＯ2電解反応≫Ｈ2Ｏ電解反応＞燃料合成反応となっている。つまり、上流部１２ａでは、ＣＯ2電解反応の反応生成物ＣＯのモル数はＨ2Ｏ電解反応の反応生成物Ｈ2の２倍以上であり、かつ、ＣＯ2電解反応の反応生成物ＣＯのモル数は燃料合成反応の反応生成物ＣＨ4の２倍以上となっている。さらに、上流部１２ａでは、Ｈ2Ｏ電解反応の反応生成物Ｈ2のモル数は燃料合成反応の反応生成物ＣＨ4よりも多くなっている。
上流部１２ａでは、ＣＯ2電解反応の反応生成物ＣＯのモル数がＣＯ2電解反応、Ｈ2Ｏ電解反応および燃料合成反応の反応生成物の合計モル数の５０％以上となっている。上流部１２ａでは、ＣＯ2電解反応の反応生成物ＣＯのモル数をＣＯ2電解反応、Ｈ2Ｏ電解反応および燃料合成反応の反応生成物の合計モル数の８０％以上とすることが望ましい。
中流部１２ｂでは、Ｈ2Ｏ電解反応≫燃料合成反応＞ＣＯ2電解反応となっている。つまり、中流部１２ｂでは、Ｈ2Ｏ電解反応の反応生成物Ｈ2のモル数は燃料合成反応の反応生成物ＣＨ4の２倍以上であり、かつ、Ｈ2Ｏ電解反応の反応生成物Ｈ2のモル数はＣＯ2電解反応の反応生成物ＣＯの２倍以上となっている。さらに、中流部１２ｂでは、燃料合成反応の反応生成物ＣＨ4のモル数はＣＯ2電解反応の反応生成物ＣＯよりも多くなっている。
中流部１２ｂでは、Ｈ2Ｏ電解反応の反応生成物Ｈ2のモル数がＣＯ2電解反応、Ｈ2Ｏ電解反応および燃料合成反応の反応生成物の合計モル数の５０％以上となっている。中流部１２ｂでは、Ｈ2Ｏ電解反応の反応生成物Ｈ2のモル数をＣＯ2電解反応、Ｈ2Ｏ電解反応および燃料合成反応の反応生成物の合計モル数の８０％以上とすることが望ましい。
第１下流部１２ｃでは、燃料合成反応＞Ｈ2Ｏ電解反応≫ＣＯ2電解反応となっている。つまり、第１下流部１２ｃでは、燃料合成反応の反応生成物ＣＨ4のモル数はＣＯ2電解反応の反応生成物ＣＯの２倍以上であり、かつ、Ｈ2Ｏ電解反応の反応生成物Ｈ2のモル数はＣＯ2電解反応の反応生成物ＣＯの２倍以上となっている。さらに、第１下流部１２ｃでは、燃料合成反応の反応生成物ＣＨ4のモル数はＨ2Ｏ電解反応の反応生成物Ｈ2よりも多くなっている。
第１下流部１２ｃでは、燃料合成反応の反応生成物ＣＨ4およびＨ2Ｏ電解反応の反応生成物Ｈ2の合計モル数がＣＯ2電解反応、Ｈ2Ｏ電解反応および燃料合成反応の反応生成物の合計モル数の８０％以上となっている。第１下流部１２ｃでは、燃料合成反応の反応生成物ＣＨ4およびＨ2Ｏ電解反応の反応生成物Ｈ2の合計モル数をＣＯ2電解反応、Ｈ2Ｏ電解反応および燃料合成反応の反応生成物の合計モル数の９０％以上とすることが望ましい。
第２下流部１２ｄでは、燃料合成反応≫Ｈ2Ｏ電解反応＞ＣＯ2電解反応となっている。つまり、第２下流部１２ｄでは、燃料合成反応の反応生成物ＣＨ4のモル数はＨ2Ｏ電解反応の反応生成物Ｈ2の２倍以上であり、かつ、燃料合成反応の反応生成物ＣＨ4のモル数はＣＯ2電解反応の反応生成物ＣＯの２倍以上となっている。さらに、第２下流部１２ｄでは、Ｈ2Ｏ電解反応の反応生成物Ｈ2のモル数はＣＯ2電解反応の反応生成物ＣＯよりも多くなっている。
第２下流部１２ｄでは、燃料合成反応の反応生成物ＣＨ4のモル数がＣＯ2電解反応、Ｈ2Ｏ電解反応および燃料合成反応の反応生成物の合計モル数の５０％以上となっている。第２下流部１２ｄでは、燃料合成反応の反応生成物ＣＨ4のモル数をＣＯ2電解反応、Ｈ2Ｏ電解反応および燃料合成反応の反応生成物の合計モル数の８０％以上とすることが望ましい。
本実施形態では、上流部１２ａ、中流部１２ｂ、第１下流部１２ｃおよび第２下流部１２ｄの部位毎に、ＣＯ2電解触媒、Ｈ2Ｏ電解触媒および燃料合成触媒の割合が異なっている。これらの触媒の割合を異ならせることで、上流部１２ａ、中流部１２ｂ、第１下流部１２ｃおよび第２下流部１２ｄの部位毎に、ＣＯ2電解反応、Ｈ2Ｏ電解反応および燃料合成反応の各反応生成物の生成比率を異ならせている。
上流部１２ａでは、ＣＯ2電解触媒、Ｈ2Ｏ電解触媒および燃料合成触媒の割合を、ＣＯのモル数がＨ2の２倍以上であり、かつ、ＣＯのモル数がＣＨ4の２倍以上になるように設定している。さらに、上流部１２ａでは、Ｈ2Ｏ電解触媒および燃料合成触媒の割合を、Ｈ2のモル数がＣＨ4より多くなるように設定している。
中流部１２ｂでは、ＣＯ2電解触媒、Ｈ2Ｏ電解触媒および燃料合成触媒の割合を、Ｈ2のモル数がＣＨ4の２倍以上であり、かつ、Ｈ2のモル数がＣＯの２倍以上になるように設定している。さらに、中流部１２ｂでは、ＣＯ2電解触媒および燃料合成触媒の割合を、ＣＨ4のモル数がＣＯ2より多くなるように設定している。
第１下流部１２ｃでは、ＣＯ2電解触媒、Ｈ2Ｏ電解触媒および燃料合成触媒の割合を、ＣＨ4のモル数がＣＯの２倍以上であり、かつ、Ｈ2のモル数がＣＯの２倍以上になるように設定している。さらに、第１下流部１２ｃでは、Ｈ2Ｏ電解触媒および燃料合成触媒の割合を、ＣＨ4のモル数がＨ2より多くなるように設定している。
第２下流部１２ｄでは、ＣＯ2電解触媒、Ｈ2Ｏ電解触媒および燃料合成触媒の割合を、ＣＨ4のモル数がＨ2の２倍以上であり、かつ、ＣＨ4のモル数がＣＯの２倍以上になるように設定している。さらに、第２下流部１２ｄでは、ＣＯ2電解触媒およびＨ2Ｏ電解触媒の割合を、Ｈ2のモル数がＣＯより多くなるように設定している。
次に、燃料合成装置１０のカソード極１２にＣＯ2およびＨ2Ｏが供給された場合に発生する化学反応について説明する。
カソード極１２の上流部１２ａでは、ＣＯ2電解反応が優先的に発生し、ＣＯ2からできるだけ多くのＣＯが生成される。上流部１２ａでは、Ｈ2Ｏ電解反応および燃料合成反応は抑制されている。Ｈ2Ｏ電解反応は燃料合成反応よりも優先されており、Ｈ2Ｏから少量のＨ2が生成される。ＣＯ2電解反応で生成されたＣＯと、Ｈ2Ｏ電解反応で生成された少量のＨ2と、Ｈ2Ｏ電解反応に用いられなかった大部分のＨ2Ｏは、中流部１２ｂに供給される。
中流部１２ｂでは、Ｈ2Ｏ電解反応が優先的に発生し、Ｈ2Ｏからできるだけ多くのＨ2が生成される。中流部１２ｂでは、燃料合成反応およびＣＯ2電解反応は抑制されている。燃料合成反応はＣＯ2電解反応よりも優先されており、ＣＯとＨ2から少量のＣＨ4が合成される。上流部１２ａから供給されたＣＯと、中流部１２ｂでＨ2Ｏ電解反応によって生成されたＨ2は、第１下流部１２ｃに供給される。
第１下流部１２ｃでは、燃料合成反応が優先的に発生し、ＣＯとＨ2からＣＨ4が合成される。第１下流部１２ｃでは、Ｈ2Ｏ電解反応も優先的に発生し、燃料合成反応で副生したＨ2Ｏが電解される。第１下流部１２ｃでは、ＣＯ2電解反応は抑制されている。燃料合成反応で合成されたＣＨ4と、燃料合成反応に用いられなかったＣＯおよびＨ2は、第２下流部１２ｄに供給される。
第２下流部１２ｄでは、燃料合成反応が優先的に発生し、ＣＯおよびＨ2からＣＨ4が合成される。第２下流部１２ｄは、第１下流部１２ｃで燃料合成反応に用いられなかった残りのＣＯおよびＨ2を用いて燃料合成反応が行われる。
以上説明した本実施形態の燃料合成装置１０では、カソード極１２の上流部１２ａ、中流部１２ｂおよび下流部１２ｃ、１２ｄで、ＣＯ2電解反応、Ｈ2Ｏ電解反応および燃料合成反応の発生割合を異ならせている。上流部１２ａでＣＯ2電解反応を優先し、中流部１２ｂでＨ2Ｏ電解反応を優先し、下流部１２ｃ、１２ｄでは燃料合成反応を優先している。
これにより、Ｈ2Ｏ電解反応によるＨ2生成前に、ＣＯ2電解反応によってできるだけ多くのＣＯ2がＣＯに電解されるようにすることができる。ＣＯ2濃度が低下しＣＯ濃度が上昇した状態でＨ2Ｏ電解反応が起こることで、ＣＯ2とＨ2が反応するＣＯ2電解反応２（逆水性ガスシフト反応）の発生を抑制できる。この結果、電解反応２によるＨ2消費を抑制でき、Ｈ2生成に用いられる電力消費を抑制でき、燃料合成効率を向上させることができる。
また、第１下流部１２ｃおよび第２下流部１２ｄでは燃料合成反応を優先することで、上流部１２ａで生成したＣＯと、中流部１２ｂで生成したＨ2を用いて燃料合成を効率的に行うことができる。
また、第１下流部１２ｃでは、燃料合成反応の次にＨ2Ｏ電解反応を優先している。これにより、燃料合成反応とＨ2Ｏ電解反応が同時に発生し、燃料合成反応で副生するＨ2ＯをＨ2Ｏ電解反応によってＨ2に電解することができる。この結果、燃料合成反応で副生するＨ2Ｏを速やかに除去することができ、燃料合成効率を向上させることができる。
また、第１下流部１２ｃの下流側に、燃料合成反応を優先する第２下流部１２ｄを設けている。これにより、第２下流部１２ｄでは、第１下流部１２ｃで燃料合成反応に用いられなかった未反応のＣＯおよびＨ2を用いて燃料合成反応を行うことができ、燃料合成効率を向上させることができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本第２実施形態では、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図３に示すように、本第２実施形態では、複数の電力供給装置１４ａ～１４ｃが設けられている。第１電力供給装置１４ａは、カソード極１２の上流部１２ａとアノード極１３の間に電圧を印加する。第２電力供給装置１４ｂは、カソード極１２の中流部１２ｂとアノード極１３の間に電圧を印加する。第３電力供給装置１４ｃは、カソード極１２の第１下流部１２ｃおよび第２下流部１２ｄとアノード極１３の間に電圧を印加する。これらの電力供給装置１４ａ～１４ｃは、制御装置２９によって制御される。
各電力供給装置１４ａ～１４ｃは、それぞれ異なる電圧を印加することができる。ＣＯ2電解反応とＨ2Ｏ電解反応は、それぞれ効果的な電圧が異なっている。第１電力供給装置１４ａは、ＣＯ2電解反応に適した電圧を印加する。第２電力供給装置１４ｂは、Ｈ2Ｏ電解反応に適した電圧を印加する。第３電力供給装置１４ｃは、Ｈ2Ｏ電解反応に適した電圧を印加する。
ＣＯ2電解反応に適した電圧をＣＯ2電解電圧ともいい、Ｈ2Ｏ電解反応に適した電圧をＨ2Ｏ電解電圧ともいう。ＣＯ2電解電圧は、Ｈ2Ｏ電解電圧よりも高い電圧である。具体的には、ＣＯ2電解電圧は１．０～２．５Ｖとすることが望ましく、１．０～１．４Ｖとすることがより望ましい。Ｈ2Ｏ電解電圧は０．９～２．４Ｖとすることが望ましく、０．９～１．３Ｖとすることがより望ましい。
以上説明した本第２実施形態によれば、複数の電力供給装置１４ａ～１４ｃを設け、カソード極１２の上流部１２ａ、中流部１２ｂおよび下流部１２ｃ、１２ｄに対し、それぞれで優先する化学反応に適した電圧を印加している。これにより、上流部１２ａではＣＯ2電解反応を効率よく進行させることができる。中流部１２ｂ、第１下流部１２ｃおよび第２下流部１２ｄではＨ2Ｏ電解反応を効率よく進行させることができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本第３実施形態では、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図４に示すように、本第３実施形態では、複数の電解質１１、１５が設けられている。図４に示す例では、２つの電解質１１、１５がカソード極１２の両側に設けられている。第１電解質１１はＣＯ2電解反応用の電解質として設定され、第２電解質１５はＨ2Ｏ電解反応用の電解質として設定されている。
第２電解質１５は、第１電解質１１よりも厚みが薄くなっている。燃料合成反応では、Ｈ2の必要モル数はＣＯの３倍となり、Ｈ2Ｏ電解反応で生成するＯ2-のモル数もＣＯ2電解反応で生成するＯ2-の３倍となる。Ｈ2Ｏ電解反応ではＣＯ2電解反応よりも多くのＯ2-が生成するため、カソード極１２で生成したＯ2-を効率よく第２電解質１５を伝導させる必要がある。そこで、本第３実施形態では、第２電解質１５の厚みを薄くすることで、Ｈ2Ｏ電解反応で生成したＯ2-を効率よく伝導させている。
第１電解質１１におけるカソード極１２の反対側には第１アノード極１３が設けられている。第２電解質１５におけるカソード極１２の反対側には第２アノード極１６が設けられている。
本第３実施形態においても、上記第２実施形態と同様、複数の電力供給装置１４ａ～１４ｃが設けられている。第１電力供給装置１４ａは、カソード極１２の上流部１２ａと第１アノード極１３の間に電圧を印加する。第２電力供給装置１４ｂは、カソード極１２の中流部１２ｂと第２アノード極１６の間に電圧を印加する。第３電力供給装置１４ｃは、カソード極１２の下流部１２ｃ、１２ｄと第２アノード極１６の間に電圧を印加する。
以上説明した本第３実施形態では、複数の電解質１１、１５を設け、第１電解質１１をＣＯ2電解反応用の電解質とし、第２電解質１５をＨ2Ｏ電解反応用の電解質としている。これにより、各電解質１１、１５をＣＯ2電解反応あるいはＨ2Ｏ電解反応に適した構成とすることができ、各反応の効率を向上させることができる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本第４実施形態では、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図５に示すように、本第４実施形態では、カソード極１２に複数のガス分離膜１２ｅ～１２ｈが設けられている。複数のガス分離膜１２ｅ～１２ｈは、第１ガス分離膜１２ｅと、第２ガス分離膜１２ｆと、第３ガス分離膜１２ｇと、第４ガス分離膜１２ｈとを含んでいる。
第１ガス分離膜１２ｅは、上流部１２ａのガス流れ方向下流側に設けられている。第２ガス分離膜１２ｆは、中流部１２ｂのガス流れ方向下流側に設けられている。第３ガス分離膜１２ｇは、第１下流部１２ｃのガス流れ方向下流側に設けられている。第４ガス分離膜１２ｈは、第２下流部１２ｄのガス流れ方向下流側に設けられている。なお、第１ガス分離膜１２ｅが上流部ガス分離膜に相当し、第２ガス分離膜１２ｆが中流部ガス分離膜に相当し、第３ガス分離膜１２ｇおよび第４ガス分離膜１２ｈが下流部ガス分離膜に相当している。
第１ガス分離膜１２ｅは、上流部１２ａと中流部１２ｂの間に挟まれている。第２ガス分離膜１２ｆは、中流部１２ｂと第１下流部１２ｃの間に挟まれている。第３ガス分離膜１２ｇは、第１下流部１２ｃと第２下流部１２ｄの間に挟まれている。
ガス分離膜１２ｅ～１２ｈは、特定種類のガスの透過を制限する機能を備えている。第１ガス分離膜１２ｅは、ＣＯ2の透過を制限する。第２ガス分離膜１２ｆ、第３ガス分離膜１２ｇおよび第４ガス分離膜１２ｈは、Ｈ2Ｏの透過を制限する。
ガス分離膜１２ｅ～１２ｈは、例えばメソポーラスシリカによって構成することができる。メソポーラスシリカは、分離したいガス種に応じた細孔を選択することで、ガス分離膜１２ｅ～１２ｈとして好適に用いることができる。
以上説明した本第４実施形態によれば、上流部１２ａでは、第１ガス分離膜１２ｅによってＣＯ2が下流側に流れることを制限される。これにより、上流部１２ａでは、ＣＯ2電解反応を効率よく行うことができる。
また、中流部１２ｂ、第１下流部１２ｃおよび第２下流部１２ｄでは、第２ガス分離膜１２ｆ、第３ガス分離膜１２ｇおよび第４ガス分離膜１２ｈによってＨ2Ｏが下流側に流れることを制限される。これにより、中流部１２ｂ、第１下流部１２ｃおよび第２下流部１２ｄでは、Ｈ2Ｏ電解反応を効率よく行うことができる。
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
例えば、上記各実施形態では、燃料合成装置１０で合成する炭化水素としてメタンを例示したが、異なる種類の炭化水素を合成するようにしてもよい。カソード極１２で用いる触媒の種類や反応温度を異ならせることで、合成する炭化水素の種類を異ならせることができる。異なる種類の炭化水素としては、例えばメタンよりも炭素原子数が多いエタンやプロパン等の炭化水素、アルコールやエーテルのような酸素原子を含んだ炭化水素を例示できる。
また、上記各実施形態では、カソード極１２の内部圧力を大気圧程度としたが、カソード極１２の内部圧力を大気圧よりも高圧としてもよい。カソード極１２の内部圧力を高くすることで、Ｈ2Ｏ電解反応、ＣＯ2電解反応および燃料合成反応の反応速度を速くすることができ、システム効率を高めることができる。
カソード極１２の内部圧力を高圧にするためには、例えば燃料合成排ガス通路２６にカソード極１２の内部圧力を調整するための背圧調整弁を設ければよい。そして、Ｈ2Ｏ供給通路２１からＨ2Ｏを大気圧より高圧の状態で供給し、ＣＯ2供給通路２４からＣＯ2をを大気圧より高圧の状態で供給することで、カソード極１２の内部圧力を高圧にすることができる。さらに、燃料合成装置１０を耐圧構造とすることが望ましい。カソード極１２の内部圧力を高圧にする場合の上限値は１００気圧程度にすることが望ましい。
また、第２実施形態において、電解質１１の厚みをカソード極１２の上流部１２ａ、中流部１２ｂおよび下流部１２ｃ、１２ｄに応じて異ならせてもよい。中流部１２ｂで優先されるＨ2Ｏ電解反応ではＣＯ2電解反応よりも多くのＯ2-が生成するため、カソード極１２で生成したＯ2-を効率よく第２電解質１５を伝導させる必要がある。このため、電解質１１における中流部１２ｂに対応する部位の厚みを上流部１２ａに対応する部位より薄くすることで、Ｏ2-を効率よく伝導させることができる。
１０ 燃料合成装置、１１ 電解質、１２ カソード極、１２ａ 上流部、１２ｂ 中流部、１２ｃ 下流部（第１下流部）、１２ｄ 下流部（第２下流部）、１２ｅ 第１ガス分離膜（上流部ガス分離膜）、１２ｆ 第２ガス分離膜（中流部ガス分離膜）、１２ｇ 第３ガス分離膜（下流部ガス分離膜）、１２ｈ 第４ガス分離膜（下流部ガス分離膜）、１３ アノード極、１４ 電力供給装置、１４ａ 第１電力供給装置、１４ｂ 第２電力供給装置、１５ 第２電解質、２０ Ｈ2Ｏ貯蔵部（Ｈ2Ｏ供給部）、２２ Ｈ2Ｏポンプ（Ｈ2Ｏ供給部）、２３ ＣＯ2貯蔵部（ＣＯ2供給部）、２５ 圧力調整弁（ＣＯ2供給部）

Claims (14)

  1. 酸素イオン伝導性を有する電解質（１１、１５）と、前記電解質の一方側に設けられたカソード極（１２）と、前記電解質の他方側に設けられたアノード極（１３、１６）とを有する燃料合成装置（１０）と、
    前記燃料合成装置に電力を供給する電力供給装置（１４）と、
    前記カソード極にＨ2Ｏを供給するＨ2Ｏ供給部（２０、２２）と、
    前記カソード極にＣＯ2を供給するＣＯ2供給部（２３、２５）と、
    を備え、
    前記カソード極では、前記Ｈ2Ｏ供給部から供給されたＨ2Ｏおよび前記ＣＯ2供給部から供給されたＣＯ2が所定のガス流れ方向に流れるようになっており、
    前記カソード極では、Ｈ2Ｏを電解してＨ2を生成するＨ2Ｏ電解反応と、ＣＯ2を電解してＣＯを生成するＣＯ2電解反応と、前記Ｈ2と前記ＣＯとを用いて炭化水素を合成する燃料合成反応とが発生し、
    前記カソード極には、前記Ｈ2Ｏ電解反応を促進するＨ2Ｏ電解触媒と、前記ＣＯ2電解反応を促進するＣＯ2電解触媒と、前記燃料合成反応を促進する燃料合成触媒とを含む複数種類の触媒が設けられており、
    前記カソード極の前記ガス流れ方向の上流部（１２ａ）、中流部（１２ｂ）および下流部（１２ｃ、１２ｄ）の部位毎に、前記複数種類の触媒に含まれる前記ＣＯ2電解触媒、前記Ｈ2Ｏ電解触媒および前記燃料合成触媒の割合がそれぞれ異なっており、
    前記上流部では、前記ＣＯ2電解反応で生成するＣＯ、前記Ｈ2Ｏ電解反応で生成するＨ2および前記燃料合成反応で生成する炭化水素からなる反応生成物のうち、ＣＯのモル数が最も大きくなっており、前記中流部では、前記反応生成物のうち、Ｈ2のモル数が最も大きくなっており、前記下流部では、前記反応生成物のうち、炭化水素のモル数が最も大きくなっているエネルギ変換システム。
  2. 前記上流部では、前記ＣＯ2電解反応で生成するＣＯのモル数が前記Ｈ2Ｏ電解反応で生成するＨ2の２倍以上であり、かつ、前記ＣＯ2電解反応で生成するＣＯのモル数が前記燃料合成反応で生成する炭化水素の２倍以上である請求項１に記載のエネルギ変換システム。
  3. 前記上流部では、前記Ｈ2Ｏ電解反応で生成するＨ2のモル数が前記燃料合成反応で生成する炭化水素よりも多い請求項２に記載のエネルギ変換システム。
  4. 前記中流部では、前記Ｈ2Ｏ電解反応で生成するＨ2のモル数が前記燃料合成反応で生成する炭化水素の２倍以上であり、かつ、前記Ｈ2Ｏ電解反応で生成するＨ2のモル数が前記ＣＯ2電解反応で生成するＣＯの２倍以上である請求項１ないし３のいずれか１つに記載のエネルギ変換システム。
  5. 前記中流部では、前記燃料合成反応で生成する炭化水素のモル数が前記ＣＯ2電解反応で生成するＣＯよりも多い請求項４に記載のエネルギ変換システム。
  6. 前記下流部には、第１下流部（１２ｃ）と、前記第１下流部よりも下流側に位置する第２下流部（１２ｄ）とが含まれており、
    前記第１下流部では、前記燃料合成反応で生成する炭化水素のモル数が前記ＣＯ2電解反応で生成するＣＯの２倍以上であり、かつ、前記Ｈ2Ｏ電解反応で生成するＨ2のモル数が前記ＣＯ2電解反応で生成するＣＯの２倍以上である請求項１ないし５のいずれか１つに記載のエネルギ変換システム。
  7. 前記第１下流部では、前記燃料合成反応で生成する炭化水素のモル数が前記Ｈ2Ｏ電解反応で生成するＨ2よりも多い請求項６に記載のエネルギ変換システム。
  8. 前記第２下流部では、前記燃料合成反応で生成する炭化水素のモル数が前記Ｈ2Ｏ電解反応で生成するＨ2の２倍以上であり、かつ、前記燃料合成反応で生成する炭化水素のモル数が前記ＣＯ2電解反応で生成するＣＯの２倍以上である請求項６または７に記載のエネルギ変換システム。
  9. 前記第２下流部では、前記Ｈ2Ｏ電解反応で生成するＨ2のモル数が前記ＣＯ2電解反応で生成するＣＯよりも多い請求項８に記載のエネルギ変換システム。
  10. 前記電力供給装置は、前記カソード極の前記上流部に電圧を印加する第１電力供給装置（１４ａ）と、前記カソード極の前記中流部に電圧を印加する第２電力供給装置（１４ｂ）とを含んでおり、
    前記第１電力供給装置の印加電圧と、前記第２電力供給装置の印加電圧が異なっている請求項１ないし９のいずれか１つに記載のエネルギ変換システム。
  11. 前記電解質は、前記カソード極を挟んで複数設けられており、
    複数の前記電解質は、前記ＣＯ2電解反応に用いられる第１電解質（１１）と、前記Ｈ2Ｏ電解反応に用いられる第２電解質（１５）とを含んでいる請求項１ないし１０のいずれか１つに記載のエネルギ変換システム。
  12. 前記上流部のガス流れ方向下流側に、ＣＯ2の透過を制限する上流部ガス分離膜（１２ｅ）が設けられている請求項１ないし１１のいずれか１つに記載のエネルギ変換システム。
  13. 前記中流部のガス流れ方向下流側に、Ｈ2Ｏの透過を制限する中流部ガス分離膜（１２ｆ）が設けられている請求項１ないし１２のいずれか１つに記載のエネルギ変換システム。
  14. 前記下流部のガス流れ方向下流側に、Ｈ2Ｏの透過を制限する下流部ガス分離膜（１２ｇ、１２ｈ）が設けられている請求項１ないし１３のいずれか１つに記載のエネルギ変換システム。
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